51单片机开发板实验：多按键检测实验

一、实验目标

当独立键盘与单片机相连时，每个按键都需占用单片机的一个I/O口。若单片机系统需集成大量按键，使用独立按键方式会显著消耗宝贵的I/O口资源。鉴于单片机系统中I/O口资源有限，为了优化资源利用，减少I/O口引脚的使用，当按键数量较多时，通常会引入矩阵键盘作为解决方案。

本实验以4x4矩阵键盘为例，详细阐述其工作原理及检测方法。在开发板上，16个按键被布置成4行4列的形式。第一行所有按键的一端相互连接，形成一根行线；同理，第一列的所有按键的另一端也相互连接，构成一根列线。依此类推，整个键盘仅通过4根行线和4根列线，共8根线，便实现了16个按键的连接。这8根线随后被接入单片机的8个I/O端口上。

通过编程实现键盘扫描，单片机能够检测并识别这16个按键的状态。这种方法不仅高效，而且具有扩展性。利用相同的原理，可以轻松地实现3x3矩阵键盘（共9个键）、5x5矩阵键盘（共25个键）、6x6矩阵键盘（共36个键）乃至更大规模的键盘布局，仅需相应地增加行线和列线的数量，并调整单片机的I/O端口配置即可。

二、矩阵键盘检测原理

无论是独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测按键是否被按下的基本原理是相同的，即检测与该键对应的I/O口是否处于低电平状态。独立键盘由于一端已固定为低电平，因此在检测时单片机程序编写相对简便。而矩阵键盘的两端均连接至单片机的I/O口，检测时需通过编程控制单片机I/O口输出低电平。

在矩阵键盘的检测中，行列扫描法和线翻转法是两种常用的方法。行列扫描法首先选定一列输出低电平，其余列保持高电平，随后依次检测各行是否出现低电平。若某行检测到低电平，则结合之前选定的列，即可确定被按下键的具体位置。通过轮流对每列进行低电平输出并检测各行状态，可以实现对所有按键的检测。同样，也可以将行线置为低电平，扫描列线以检测按键。

线翻转法则是一种更为灵活的方法。它首先将所有行线置为低电平，检测列线中是否有低电平出现，并记录相关列线值。随后，翻转状态，将所有列线置为低电平，再次检测行线值并记录。由于按键按下会导致行线值的变化，因此通过比较两次检测的结果，可以识别出所有被按下的按键。

矩阵键盘在检测过程中还需进行按键消抖处理，以消除因按键机械特性引起的抖动对检测结果的影响。在本章的实验中，我们采用了行列扫描法来检测矩阵键盘的按键状态，并集成了按键消抖功能以确保检测的准确性和稳定性。

三、硬件电路

本实验所使用的硬件资源主要包括：

（1）动态数码管：用于显示数字、字符或简单图形。
（2）4x4 矩阵按键：本实验中采用4行4列的矩阵键盘布局，通过8根线（4根行线和4根列线）连接到单片机的I/O口上，支持最多16个按键的输入。

关于静态数码管模块电路，由于在前面章节已有详细介绍，此处不再赘述。开发板上的4x4矩阵按键模块电路，其设计原理基于矩阵扫描原理，通过行列线的组合来定位被按下的按键。具体电路图如下：

行线：四根行线分别连接至单片机P1.4~P1.7，用于输出低电平以选中某一行进行按键扫描。
列线：四根列线也连接至单片机P11.0~P1.3，用于检测当前被选中行中是否有按键被按下（即检测列线是否出现低电平）。

四、软件设计

虽然矩阵键盘充分利用了I/O端口资源，但增加了检测程序的复杂性。因为独立按键有一端固定为低电平，编写单片机键盘检测程序比较方便，而矩阵键盘两端都与I/O端口相连，因此检测程序需要向I/O端口人为送出低电平。具体检测方法：先送一行低电平，其余各行为高电平，现在已经确定了行数（送入低电平的行），然后循环检测与该行相交的各列是否有低电平，若检测到某列有低电平，说明与该行相交的某列按键被按下，即确定了当前按下的按键属于哪一行哪一列。同理，使用同样的方法轮流送各行一次低电平，再轮流检测各列是否有低电平，即可完成所有按键的检测。当然也可以先送各列为低电平，然后再循环检测各行是否有低电平。

1. 数据类型定义

u16：无符号16位整型，用于定义延时函数的参数。
u8：无符号8位整型，用于定义键值、数组索引等。

2. 宏定义

GPIO_DIG：定义LED连接的端口，即P0端口。
GPIO_KEY：定义键盘连接的端口，即P1端口。

3. 全局变量

KeyValue：用于存储从键盘读取到的键值。

4. 数组定义

smgduan：一个包含16个元素的数组，存储LED显示所需的段码，用于控制LED的显示。

5. 函数设计

delay(u16 i)：延时函数，通过空循环实现简单的延时，参数i为延时长度。
KeyDown(void)：键盘扫描函数，用于检测按键是否被按下，并确定按下的键值。首先通过列扫描确定是哪一列的按键被按下，然后通过行扫描确定具体的行，从而确定键值。
main(void)：主函数，无限循环执行KeyDown函数以检测按键，并根据键值控制LED的显示。

6. 键盘扫描逻辑

首先，将列线（GPIO_KEY的低4位）置为低电平，其余为高电平，进行列扫描。
如果检测到列线状态不为0x0F，说明有按键被按下，进行延时消抖。
再次检测列线状态，如果仍然不为0x0F，则确认按键确实被按下。
接下来，通过列扫描确定是哪一列的按键被按下（实际代码中此步骤被重复了，应优化）。
然后，将行线（GPIO_KEY的高4位）置为低电平，其余为高电平，进行行扫描。
根据行扫描的结果，结合列扫描的结果，确定具体的键值。

7.LED显示逻辑

根据键值（KeyValue），从smgduan数组中选取对应的段码。
将段码取反后输出到GPIO_DIG端口，以控制LED的显示。这里取反是为了适应特定的硬件连接方式（假设LED是共阳极的，且高电平熄灭）。

五、编写程序

启动Keil软件后，创建一个新项目，选择单片机型号STC89C52RC。在项目中添加C语言源文件main.c。
在main.c文件内输入下面的源代码：

#include "reg52.h" // 引入8051单片机的寄存器定义

typedef unsigned int u16; // 定义无符号16位整数类型
typedef unsigned char u8; // 定义无符号8位整数类型

#define GPIO_DIG P0 // 定义LED连接的端口为P0
#define GPIO_KEY P1 // 定义键盘连接的端口为P1

u8 KeyValue; // 用于存储从键盘读取到的键值

// LED显示的段码表，用于控制LED的显示
u8 code smgduan[17]={
    0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,
    0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,
    // 注意：这里定义了17个元素，但实际上可能只需要16个，最后一个元素可能未使用
};

// 简单的延时函数，通过空循环实现延时
void delay(u16 i)
{
    while(i--);
    // 注意：这种延时方式受CPU频率影响，不精确
}

// 键盘扫描函数，用于检测按键并确定键值
void KeyDown(void)
{
    char a=0; // 用于延时去抖的计数器
    GPIO_KEY=0x0f; // 将P1端口的低4位设为低电平，其余为高电平，进行列扫描
    if(GPIO_KEY!=0x0f) // 如果检测到列线状态有变化，说明可能有按键被按下
    {
        delay(1000); // 延时消抖
        if(GPIO_KEY!=0x0f) // 再次检测，确认按键确实被按下
        {
            // 接下来进行行扫描
            GPIO_KEY=0XF0; // 将P1端口的高4位设为低电平，其余为高电平
            switch(GPIO_KEY) // 通过检测行线的状态来确定具体的行
            {
                case(0X70): KeyValue=0; break; // 第1行
                case(0Xb0): KeyValue=4; break; // 第2行，注意这里应该是KeyValue+=4
                case(0Xd0): KeyValue=8; break; // 第3行，注意这里应该是KeyValue+=8
                case(0Xe0): KeyValue=12; break; // 第4行，注意这里应该是KeyValue+=12
            }

        }
    }
    while((a<50)&&(GPIO_KEY!=0xf0)) // 等待按键释放
    {
        delay(100);
        a++;
    }
}

// 主函数
void main()
{
    while(1) // 无限循环
    {
        KeyDown(); // 扫描键盘并确定键值
        GPIO_DIG=&#126;smgduan[KeyValue]; // 根据键值控制LED的显示（取反可能是为了适应共阳极LED）
    }
}

六、实验现象

使用 USB 线将开发板和电脑连接成功后，把编写好的程序编译后将编译产生的.hex 文件烧入到芯片内，开发板会自动运行下载的程序，按下矩阵键盘任一按键，数码管显示不同的字符。